不管是工业自动化领域,还是汽车领域,抑或是生活家电领域,各个终端市场对电机性能都提出了更高的要求。它们不仅需要电机能够做到高效率和多功能控制,还需要电机在追求高转速的同时实现低噪音低振动的控制效果。在与日俱增的高标准性能要求下,高性能成了电机芯片竞争的关键。
纵观整个电机控制芯片市场,从低成本通用伺服驱控到中高性能通用伺服驱控,长于控制的MCU单芯片方案都是最常见且最受欢迎的,而且现在VC/FOC功能几乎已成为电机MCU的标配,是体现控制能力的核心竞争力。虽然严格来说,VC和FOC二者概念上是有差异的,但在大多数场景里,二者指的是同一种控制方法。VC矢量控制(Vector Control)将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一。VC矢量控制不仅解决了自然坐标系上实现电机速度、电流闭环负反馈控制难的问题,而且保证了优良的速度、转矩输出性能,在工控、汽车、家用、3D打印等行业得到了迅速的发展,成为主流电机控制的基本架构,其控制原理如下图所示:
图1 VC原理
如上图所示,VC矢量控制的核心源自于闭环负反馈,因此其带宽是电机控制产品最重要的衡量指标之一。具体来说,高带宽能够带来更快的指令响应时间和更优异的高频扰动抑制能力,这种能力最终体现在电机层面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和电机抖动。而代码执行时间决定了带宽,是电机控制产品不可逾越的指标之一,这也造成了目前市场上电机控制产品性能输出有差异的现象。归根结底,电机控制的差异取决于芯片性能。其限制因素特别体现在以下三个方面:
主控芯片主频限制:芯片主频不够高,无法做到高速运算,以及提升带宽;
外环代码执行限制:内环代码通过原厂提供的硬件化方法可以执行很快,但是外环代码执行依旧不够快;
- 代码硬件化限制:芯片所有代码硬件化,却产生了开发难以及无法做一些常见电机控制算法等问题。
因此想要实现更优秀的控制性能,电机控制MCU的选择非常关键。上海先楫半导体已经量产的RISC-V内核HPM6700/6400系列芯片抓住了上述主要矛盾,通过提升主频来解决电机控制行业的痛点,得益于RISC-V本身的简洁性和模块化设计,CPU能运行在更高的频率,带来更高的性能。以HPM6700/6400系列芯片为例,参数如下图所示:
图2 先楫HPM6700/6400系列芯片HPM6700/6400系列高性能MCU展示了先楫半导体高性能芯片的研发实力,HPM6700/6400系列主频高达816MHz,不仅能够解决上文提到的电机控制性能的三大限制,而且契合现在电机多核驱控一体的发展趋势。HPM6700/6400系列还为电机系统提供了精度达2.5ns的4组共32路PWM输出以及4个正交编码器接口和4个霍尔传感器接口,完美适配高性能电机控制和数字电源运动控制系统。
< 解决方案分享>
先楫HPM6000系列芯片的1us电流环
图3 案例时序
案例使用先楫HPM6000系列芯片—HPM6400系列与HPM6300系列,采用图3所示的电流环时序,分别使用HPM6400系列与HPM6300系列芯片实测VC矢量控制中的电流环执行时间。具体而言:从提升电流内环带宽的角度出发,将图1中的VC结构划分为外环(位置速度环)、内环(电流环),如图4所示:
图4等效VC结构
在VC矢量控制中,由于采用了坐标变换,dq轴电流在稳态情况下都是直流给定,而只在加减速或者突加减负载的时候,速度环会等效输出一个阶跃指令,电流环的带宽就是电流环能够以多快的速度去响应这个指令,带宽越大响应越快。所以说电流环执行时间直接决定了电流环的带宽,是电机控制产品必须考量的指标。
结果,先楫半导体已量产系列芯片实测的电流环执行时间如下图所示:
图5HPM6400、6300系列芯片电流环执行时间实测数据
如图5所示,HPM6300系列芯片的电流环执行时间接近1us,HPM6400系列电流环执行时间更是控制在1us以内,该优势不仅能够提升带宽,更是说明了先楫高性能芯片能够带来高速运算能力,实现复杂电机控制算法(如多电机同步、参数辨识、SVC(Senseless Vector Control)、谐波注入等)与电流环的同步,甚至是以更高的频率执行。在高性能先楫HPM6000系列芯片的加持下,电机产品能够不失精度地展现出更优异的控制性能。
高性能电机控制
HPM6000系列芯片介绍
HPM6700/6400系列为HPM6000系列的旗舰产品,采用RISC-V内核(*67为双核,64为单核),主频达816MHz,凭借先楫半导体的创新总线架构、高效的L1缓存和本地存储器,创下了高达9220CoreMark和高达4651 DMIPS 的MCU性能新纪录。
除了高算力RISC-V CPU,HPM6700/6400系列产品还创造性地整合了一系列高性能外设,包括支持2D图形加速的显示系统、高速USB、千兆以太网、CAN FD等通讯接口,高速12位和高精度16位模数转换器,面向高性能电机控制和数字电源的运动控制系统。HPM6300系列是HPM6000系列的另一款力作,采用单核32位RISC-V处理器,主频超过600 MHz,性能超过3390CoreMark和1710 DMIPS。同时,HPM6300系列支持双精度浮点运算,模拟模块包括16位模数转换器,12位数模转换器和模拟比较器,配以多组纳秒级高分辨率PWM,为电机控制和数字电源应用提供强大硬件支持。欲了解更多HPM6000系列产品特点与应用案例,欢迎关注并推荐“先楫半导体HPMicro”及“先楫芯上人”。
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